佳构STRAT软件大震弹塑性时程分析操作要点与技巧

佳构STRAT软件大震弹塑性时程分析操作要点与技巧
(上海佳构软科技有限公司，2015/12)
1、计算发散是计算不成功吗？
大震模拟结构在强荷载下屈服、破坏。

当结构整体不足，或存在薄弱环节时，结构出现过大变形，是正常现象。

由于大震分析是数值模拟，与一般试验得到的想象毕竟有所不同。

数值分析的中的结构实效、破坏，往往表现为过大的变形。

薄弱环节导致的大震破坏，是数值分析的特点所致。

当局部构件出现大范围屈服，构件刚度趋于极小值。

在动力响应中，刚度极小的构件变形会放大、动力效应集中(类似高层中的辫梢效应、减震结构中的悬挂钟摆)。

这种局部的放大会导致相邻构件的破坏，并逐步扩散到整个结构，导致结构破坏，计算发散。

2、怎样根据分析结果，找到导致发散的“病灶”
一旦计算发散，最终变形会是一个极大值(例如10e6)，图形已经混乱，无法找到破坏点。

这是可以将变形缩小(例如10e-6)。

然后，分步察看变形图。

找到开始发散的几步。

缩小图形的变形比例，会发现最初变形特别大的构件。

这些构件即是导致发散的病灶。

3、怎样增强薄弱构件
1) 混凝土构件：增加配筋。

混凝土的抗震性能，主要来自于钢筋。

梁柱纵筋直接影响屈服承载力和屈服后的性能。

梁柱的箍筋，在考虑“约束混凝土”增强的时，能提高混凝土的屈服强度、和弹性模量。

2) 钢支撑：设二力杆，或不算自重。

高层中的钢支撑对抗震往往起关键作用(例如加强层)，支撑的应力比都很高，往往达到全截面屈服。

但如果存在弯矩，即便弯矩很小的情况下，都会导致截面应力分布不均匀，承载能力下降。

在反复荷载作用下，这种全截面屈服基础的上不均匀分布应力，各部分加卸载状态不同，刚度差异极大，往往导致破坏发散。

设二力杆是弯矩为0，全截面应力相同、状态相同，极大提高屈服后性能。

此外，STRA T软件中，二力杆仍包含自重的弯矩(实际情况就这样)，必要时支撑不算自重。

3) 剪力墙：a)避免狭长墙单元，适当合并节点。

b)增加配筋，不仅需要增加主要受力的暗柱钢筋，在有较大水平受力的部位还需要增加水平分布钢筋。

4) 增加纤维细分密度。

纤维越密精度越高，计算越稳定。

全部构件纤维加密计算量太大，局部薄弱的构件可以增加纤维密度。

5) 改善结构。

梁与墙平面外连接的，可以在墙另外一侧设一段梁，形成连续梁。

4、避免小构件
结构模型中经常采用小截面构件导算荷载，例如PKPM中的虚梁。

在大震分析中，这些小截面构件必须处理。

因为大震分析需要根据构件的实际承载力计算其状态。

这些小构件承载力都严重不足，在恒、活载作用下就达到屈服甚至破坏，使计算失真，并往往导致计算发散。

此外，剪力墙也不宜过小。

尤其是洞口侧边、墙断部，避免出现宽度小于0.1m的极小墙单元。

可以采用如下处理措施：
1) 小截面梁处理：删除，或者不计算“材料非线性”。

2) 小截面墙处理：适当合并墙元。

如果梁较为密集，将梁端部集中到一个节点，然后设梁端三维偏心（佳构“墙整合”命令能自动这样处理）。

5、怎样判断结构是否失效
出现明显的、不可恢复的塑性变形，可以认为是结构失效的直接依据。

一般情况下，地震波沿轴线上下波动，振幅正负值大小基本相同。

如果结构屈服严重，在一个方向产生的过大屈服变形、在反向作用下的卸载不足以抵消这些屈服变形，将导致不可恢复的塑性变形。

不可恢复塑性变形的特点：结构的侧移曲线，偏向一侧，不再沿轴线上下波动。

一旦出现不可恢复的塑性变形，在持续的地震作用下，塑性变形将逐步累加，这时结构已经处于不稳定状态，可以判定结构失去继续承载能力，结构已经失效。

6、刚臂的处理方法
刚臂的弹性模量，不宜增大太多。

刚度极大，导致PCG迭代速度降低。

刚臂的计算模式：截面与普通截面相同。

材料弹性模量提高100倍，即可。

刚臂可以不计算“材料非线性”。

7、弹性时程、弹塑性时程的差异
1) 弹塑性是分步直接积分，弹性时程如果采用振型叠加法，算法本身就存在差异。

弹性时程对比，最好也采用直接积分法。

2) 弹性时程混凝土截面没有考虑钢筋，弹塑性包含钢筋的刚度贡献。

3) 弹性时程混凝土采用割线模型(规范提供Ec值)，弹塑性时程采用混凝土骨架曲线的切线模量。

在应力较低时，切线模量大于割线模量。

4) 弹性时程的截面刚度针对截面几何形状直接计算，弹塑性的截面刚度根据细分纤维积分，纤维积分存在一定的误差。

8、采用“弹性纤维”，实现弹性、弹塑性时程分析的精细对比
仍采用纤维模型，且包含钢筋刚度，但不考虑材料的屈服。

这样时程分析时，结构是弹性的，与弹塑性时程结果具有高度对比性。

材料不屈服实现方法：1)弹性模量不改变，2) 提高屈服强度。

具体设置方法如下：
1) 混凝土：
Prep材料表内，fc/ft/fck/ftk等值均增大100倍。

Strat大震“砼纤维”参数：峰值应变选择“设定”，由0.02增大100倍到0.2。

2) 钢材：
Prep材料表内，f/fv/fy/fvk/ftk等值均增大100倍。

3) 钢筋：
Strat大震“钢筋纤维”参数：梁主筋、柱主筋等的fyk增大100倍
9、钢筋对于混凝土构件的重要作用
如果没有钢筋，混凝土构件作为脆性材料，大震作用下很快就会破坏、计算发散。

10、弹性楼板下的梁侧面钢筋
在弹性楼板下，梁往往侧面有较大的受力。

而设计中梁的钢筋集中在上下顶面，侧面的抗弯作用很弱。

这时梁需要配置一定的侧面钢筋。

STRA T/Prep内“非线性初始化”时，有侧面钢筋的选项。

侧面钢筋通过配筋率确定。

两侧向毕竟是次要受力方面。

侧面钢筋有一定值即可，一般不需要很大。

如果梁存在极大的侧向力，这时仅靠侧面构造钢筋不能满足要求。

这样需要将“梁”改为“柱”。

佳构软件中，柱与梁的钢筋构成方式不同。

柱可以设定两方向的钢筋。

并且在佳构软件，柱并不一定需要是竖直的。

11、大震中弹性楼板处理
超高层结构的中楼板只是协调平面变形，弹性楼板的网格不必很细，以免增加计算量。

再者，楼板细分导致周边的梁、墙细分，形成琐碎构件，增大发散、失效的可能性。

弹性楼板的网格与梁格的大小一致即可。

如果梁格宽度3m，设板细分也为3m。

大震模型的中弹性楼板，不需要专门输出“超元”作为楼板。

软件有“网格布板”功能，直接在有网格荷载的位置，布置上弹性楼板。

12、弹性楼板必须考虑材料非线性
弹性楼板厚度虽然不大，但在梁大范围屈服的情况下，楼板的抗弯刚度就是很大的值了。

如果楼板保持弹性，梁屈服的情况下板仍有较大的弯矩，将破坏结构的“强柱弱梁”机制，使柱、墙分担极大的地震力，往往导致柱墙破坏。

弹性楼板如果不考虑非线性，大震分析几乎都会发散。

但弹性楼板的计算精度可以适当降低。

例如佳构软件的楼板的采用分层壳模型，厚度分层可以少一点，例如4~6层即可(程序隐含10层)。

13、为什么混凝土最大应力大于设计强度？
STRA T软件隐含考虑混凝土梁、柱的箍筋约束作用对混凝土抗压强度的提高，这样得到的混凝土最大应力会大于设定的抗压标准强度。

14、为什么混凝土拉应变很大？
在不考虑混凝土裂缝机制的情况下，混凝土受拉超过一定值即退出工作。

此时混凝土的拉应变，实际是同位置的钢筋应变。

虽然混凝土拉应变很大，但应力为0，刚度贡献也为0。

在考虑裂缝机制下，混凝土达到抗拉极限后，裂缝之间的混凝土仍对钢筋有“握裹”作用，此时混凝土的拉应变对刚度是有影响的。

15、为什么EL Centro波被广泛采用？
EL Centro波是美国在1940年得到的，是第一次捕捉到的最大加速度超过300 gal的强震记录。

在这以前，由于强震仪自身质量不过关，强震发生时往往被破坏，没有得到过一条真正的强震记录。

EL Centro在地表测得，记录处的剪切波速约为120m/s。

EL Centro波不但最早，而且频谱特性适中，应用于各类试验、分析都能得到适中的结果，久而久之，形成经典。